智能功率模塊在VVVF變頻器設計中的選用

一、前言

智能功率模塊（IPM）是*的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及保護電路構成。由于采用了能連續監測功率器件電流的，有電流傳感功能的IGBT芯片，從而實現高速的過流保護和短路保護。IPM集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，系統的可靠性得到進一步提高。

VVVF（可變壓可變頻）變頻器是IPM主要的應用。本文從IPM的特點出發，討論了在設計VVVF變頻器時，IPM的選用問題。

二、智能化晶體管模塊

日本三菱電機公司的IPM有四種電路形式，單管封裝（H）、雙管封裝（D）、六合一封裝（C）、七合一封裝（R），如圖1所示。其中C型和R型是專為變頻器使用設計的。

圖1　三菱IPM的封裝

IPM有精良的內置保護電路以避免因系統失靈或過應力而使功率器件損壞，所設置的故障檢測和速斷裝置允許在不犧牲可靠性的條件下，最大限度地利用功率元件的容量。內置保護功能的框圖如圖2所示：

注：V₁、I、FO、C為控制端子：C、E為主端子

圖2　IPM的保護功能框圖

如果IPM模塊其中一種保護電路動作，IGBT柵極驅動單元就會關斷電流，并輸出一個故障信號（FO）。

IPM的主要優點在于：

1、由于IPM集成了驅動和保護電路，使用戶產品的設計變得相當容易，縮短了產品上市的時間。

2、自動化的IPM組裝和測試手段提高了系統的可靠性，其他還包括減少所需采購、存儲和組裝的元件數等優點。

3、由于IPM通態損耗和開關損耗都比較低，使得散熱器減少，因而系統尺寸也減少。

4、所有的IPM都采用同樣的標準化與邏輯電平控制電路相聯的柵控接口，在產品系列擴充時無須另行設計驅動電路。

5、IPM在故障情況下的自保護能力，減低了器件在開發和使用中過載情況下的損壞機會。

三、IPM的選用

IPM在選用時，首先是根據變頻裝置的容量（電動機的額定功率），同時也要考慮供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號。選型時，有兩個主要方面需要權衡。根據IPM的過流動作數值以確定峰值電流及適當的熱設計以保證結溫峰值永遠小于最大結溫額定值，使基板的溫度永遠低于過熱動作數值。

峰值電流依電機的功率額定值而定。下表是根據OC動作數值和電機峰值電流而給出的交流220V電機推薦使用的IPM類型。電機峰值電流是基于變頻器和電機工作的效率、功率因數、最大負載和電流脈動而設定的。電機電流最大峰值可由下式計算：

式中：P＝電機功率（W）；O_L＝變頻器最大過載系數；λ＝電流脈動因數；η＝變頻器的效率；φ_F＝功率因數；V_AC＝交流線電壓（V）。

交流220V電機額定值對OC保護設置的要求表

例如：電源V_AC＝220V交流，電機P＝3.7kW,O_L＝150%,λ＝120%,η＝0.9,φ_F＝0.76,則Ic（峰值）＝36.1A。

依據上表的推薦型號PM50RSA060規定的最小OC動作數值是65A，所以這個型號能夠滿足第一個要求，選定后，還需通過適當的熱設計來滿足其熱要求。在具體的應用中，應針對器件手冊中給定的參數如：最大額定值，特性參數（電氣特性，熱特性，機械特性）以及推薦的工作條件進行系統設計。

四、結論

IPM集成了驅動和保護電路，給用戶產品的設計和開發帶來了很大的便利，VVVF變頻器是其典型的應用場合。在選用IPM時，要根據IPM過流動作數值來確定其峰值電流。